सामग्रीची ओळख: निसर्ग आणि गुणधर्म (भाग 1: सामग्रीची रचना)

प्रा.आशिष गर्ग

भौतिक विज्ञान आणि अभियांत्रिकी विभाग

इंडियन इन्स्टिट्यूट ऑफ टेक्नॉलॉजी, कानपूर

व्याख्यान - ०२

साहित्यातील बंधन

(स्लाइड वेळ संदर्भित करा: ००:२१)

पदार्थांच्या रचनेचा परिणाम गुणधर्मांवर होतो आणि ही प्रक्रिया रचना तयार करू शकते. आम्ही त्या रचनेकडे पाहिले की विविध लांबीचे तराजू आहेत; ते मॅक्रो, मायक्रो, नॅनो, इलेक्ट्रॉनिक आणि अॅटॉमिक इत्यादी आहेत. तर, मॅक्रोस्ट्रक्चर सामान्यत: उघड्या डोळ्यांनी पाहत असे. सूक्ष्म, नॅनो किंवा अणुसंरचनेसाठी तुम्ही ऑप्टिकलपासून एसईएमपर्यंत टेमकडे जाता; आपण मायक्रोपासून नॅनोस्ट्रक्चरकडे जाताना ही विशिष्ट प्रगती आहे.

मग अणु किंवा इलेक्ट्रॉनिक संरचनेसाठी तुम्हाला सामान्यत: सिम्युलेशन्स करावे लागतात. आम्ही टेट्राहेड्रॉन च्या दृष्टीकोनातून सामग्रीच्या रचनेवर चर्चा केली कारण ही रचना गुणधर्म, प्रक्रिया आणि अनुप्रयोगांशी गुंतागुंतीने संबंधित आहे. म्हणून, यापूर्वी, आम्ही चार श्रेणींमध्ये सामग्रीचे वर्गीकरण केले, पहिली श्रेणी धातू आणि मिश्रधातू, दुसरे सिरॅमिक आणि चष्मा, तिसरी श्रेणी पॉलिमर आणि इलास्टोमेर्स होती आणि चौथी श्रेणी संकरित किंवा संमिश्र होती.

(स्लाइड वेळ संदर्भित करा: ०२:२१)

आपल्याला माहित आहे की, धातू मजबूत, डक्टिल आणि कठीण आहेत. तथापि, त्यांचा गंजकमी प्रतिकार आहे, दुसरीकडे त्यांची उच्च औष्णिक आचरणक्षमता आहे, सिरॅमिक ठिसूळ आहेत, परंतु ते खूप मजबूत आहेत. तथापि, त्यांच्याकडे विद्युत आणि औष्णिक आचरणक्षमता कमी असते, एकंदरीत, पॉलिमर, दुसरीकडे मऊ, हलके असतात, ते खूप लांब अंतर ताणले जाऊ शकतात.

ते कठीणही आहेत आणि ते खूप गंजरोधकदेखील आहेत, परंतु ते उच्च तापमानाच्या अनुप्रयोगांसाठी फारसे चांगले नाहीत. दुसरीकडे, दोन्ही वेगवेगळ्या वर्गांच्या सामग्रीचा फायदा घेण्यासाठी दोन परस्परविरोधी सामग्री मिसळून संमिश्र तयार केले जातात. आतापर्यंत आम्ही साहित्याचे वर्गीकरण करण्याच्या एका पद्धतीवर चर्चा केली आणि आता आम्ही अणुबंधनावर आधारित भौतिक वर्गीकरणावर चर्चा करणार आहोत.

(स्लाइड वेळ संदर्भित करा: ०३:५७)

उदाहरणार्थ, धातू आणि मिश्रधातू धातूंच्या बंधांद्वारे जोडलेले असतात. आयनिक बाँड्स किंवा अंशतः सहसंयोजी बंध सिरॅमिक आणि चष्मा बंधतात. उदाहरणार्थ, सोडियम क्लोराइड हे अत्यंत आयनिक बॉन्डिंग असेल; सिलिकॉन कार्बाइड आणि झिंक ऑक्साइडमधील बॉन्डिंगमध्ये बॉन्डिंगमध्ये अंशतः आयनिक आणि सहसंयोजी असेल. दुसरीकडे पॉलिमरमध्ये सहसंयोजी आणि दुय्यम बंधनाचे मिश्रण असते.

शिवाय, या रोख्यांच्या स्वरूपाचे हे स्वरूप आहे, जे या सामग्रीकडे असलेल्या मालमत्ता प्रदान करण्यासाठी अत्यंत महत्त्वपूर्ण आहे. धातूमध्ये उच्च विद्युत वाहकता, उच्च औष्णिक आचरण, मॅलेबिलिटी किंवा धातूच्या बंधनामुळे नलिका असते. सिरॅमिक मजबूत असतात आणि त्यांच्यात विद्युत, औष्णिक आचरणक्षमता कमी असते आणि त्यांच्यात औष्णिक विस्ताराचे कमी गुणांक असतात कारण आयनिक बंध किंवा सहसंयोजी बंध त्यांना जोडतात.

दुसरीकडे, पॉलिमर मऊ, कमी शक्ती चे असतात कारण ते प्रामुख्याने सहसंयोजी आणि दुय्यम बंधनाचे मिश्रण असते आणि दुय्यम बंधन गुणधर्म निश्चित करण्यात महत्त्वपूर्ण भूमिका बजावते. तर, आपण सामग्रीच्या अणुरचनेवर जाण्यापूर्वी प्रथम विविध सामग्रीच्या बंधनाच्या पैलूंकडे थोडक्यात पाहू. तर, आपण ज्याला बंधन म्हणून म्हणतो त्यापासून सुरुवात करूया; हा बंधनाचा पूर्ण मार्ग नाही; हे फक्त बॉन्डिंगवरील प्राइमर आहे.

(स्लाइड वेळ संदर्भित करा: ०६:२०)

आम्हाला माहित आहे की आपल्याकडे अणुरचना आहे. तर, अणुसंख्येनुसार, आपल्याला एक केंद्रक असू शकतो आणि या केंद्रकामध्ये प्रोटॉन आणि न्यूट्रॉन आणि आजूबाजूचे विविध इलेक्ट्रॉन आहेत. तर, आपल्याला अणुसंख्येवर अवलंबून असावे लागेल आणि आपल्याकडे 1 एस आहेत², २², २ पी⁶वगैरे. जर झेड 10 च्या बरोबरीने असेल, तर आपण एक रचना 1 तयार कराल², २², २ पी⁶आणि जसजसे तुम्ही वर जाता तसतसे तुम्ही अणू तयार करत राहू शकता.

मूलद्रव्याच्या पदार्थाचे अणुवस्तुमान झेडच्या बरोबरीने आहे, जे अणुसंख्या अधिक एन आहे, जे न्यूट्रॉनची संख्या आहे. या दोन गोष्टी आपल्याला अणूंबद्दल माहित आहेत कारण सर्व काही अणूंनी बनलेले आहे. तर, आपण बंधनात जाण्यापूर्वी अणुरचना चांगल्या प्रकारे समजून घेतली पाहिजे.

(स्लाइड वेळ संदर्भित करा: ०७:५५)

अणूंमध्ये इलेक्ट्रॉनची वैशिष्ट्ये काय आहेत? इलेक्ट्रॉनची ऊर्जा पातळी आपण अलिप्त किंवा प्रमाणित म्हणू शकता. तर, विशिष्ट ऊर्जेची पातळी आहे, जी इलेक्ट्रॉनव्यापतात आणि प्रथम सर्वात कमी ऊर्जा राज्य व्यापण्याची प्रवृत्ती आहे. सर्वात कमी ऊर्जा राज्ये भरली जातात, तेव्हा उच्च ऊर्जा राज्ये भरली जातात. तर, उदाहरणार्थ, आपण एन घेऊ शकता, एन 1 च्या बरोबरीने आहे, हे आहे आणि आपण ई कडे जाताना₁आणि जर एन 2 च्या बरोबरीने असेल तर तुम्ही ई ला जाता₂आणि तुम्ही एन मध्ये जाता तेव्हा तुम्ही ई ला जाता₃आणि यामुळे मुळात ऊर्जा वाढत आहे.

(स्लाइड वेळ संदर्भित करा: ०९:३०)

तर, हेलियम, निऑन, झेनॉन आणि क्रिप्टन सारख्या पूर्णपणे भरलेल्या ऊर्जेची पातळी या सर्वांनी निष्क्रिय वायू नावाच्या ऊर्जेची पातळी पूर्णपणे भरली आहे. इलेक्ट्रॉनिक गोळे पूर्णपणे भरलेले नाहीत, उदाहरणार्थ, जर आपण आयर्नकडे पाहिले तर त्याची अणुसंख्या 26 आहे, तर ती 1 एस बनवते², २², २ पी⁶, ३², ३ पी⁶, ४²आणि मग तुझ्याकडे काय आहे? ३ डी⁶ आणि डी-ऑर्बिटलमध्ये १० इलेक्ट्रॉन असू शकतात, परंतु त्यात फक्त ६ इलेक्ट्रॉन असतात, त्यामुळे ते अंशतः भरले जाते.

आता लोहअणूंच्या उपस्थितीनुसार इलेक्ट्रॉन देण्याची किंवा घेण्याची प्रवृत्ती असते, ज्याला इलेक्ट्रोनिगेन्सी इलेक्ट्रो पॉझिटिव्हिटी म्हणतात. हे ठरवू शकते की त्यांना कोणत्या प्रकारचे बंधन असेल किंवा कधीकधी काय होते की त्यांना इलेक्ट्रॉन देणे किंवा इलेक्ट्रॉन सामायिक करू शकणारे इलेक्ट्रॉन घेणे आवश्यक नाही. इलेक्ट्रॉन अणूंमध्ये कसे कॉन्फिगर केले जातात किंवा सामायिक केले जातात यावर अवलंबून ते विशिष्ट प्रकारचे बंधन करतात.

(स्लाइड वेळ संदर्भित करा: ११:३२)

म्हणून, आपण पाहू शकतो की निष्क्रिय वायू वगळता, सर्व घटकांमध्ये न भरलेले इलेक्ट्रॉनिक कक्षीय असतात आणि परिणामी, ते अस्थिर असतात, याचा अर्थ स्थिर असणे, त्यांना स्थिर संरचना असणे आवश्यक आहे. मग, त्यांनी काय करावे? त्यांनी या इलेक्ट्रॉन्सबरोबर काहीतरी केले पाहिजे, जे बाह्य कवचातील इलेक्ट्रॉनचे अपूर्ण संरचना काढून घ्यावे लागते किंवा त्यांना काहीतरी सामायिक करावे लागते आणि म्हणूनच त्यांना व्हॅलेन्स इलेक्ट्रॉन म्हणतात.

हे वल्निस इलेक्ट्रॉन हे बाह्य कवच इलेक्ट्रॉन आहेत, जे त्या विशिष्ट कक्षेत एकूण इलेक्ट्रॉनांच्या संख्येच्या संख्येच्या बरोबरीने नाहीत. तथापि, आवर्त सारणी पाहिली तर आपल्याकडे आवर्त सारणीमध्ये विविध स्तंभ आहेत.

(स्लाइड वेळ संदर्भित करा: १२:५५)

तर, आपण आय ए, आय-ए, ३ बी, आय व्ही बी, व्ही बी, व्ही बी, व्ही बी आणि व्हीआयआय बी घेऊ शकतो, म्हणून हे ७ पर्यंत जाते आणि त्यानंतर, आपण १ बी आणि इतर ांवर जाऊ शकता. तर, अगदी उजव्या बाजूला, आपल्याकडे निष्क्रिय वायू आहेत. डावीकडे, आपल्याकडे असे घटक आहेत ज्याला इलेक्ट्रोपॉझिटिव्ह म्हणून संबोधले जाते, उजवीकडे, निष्क्रिय घटकांच्या आधी आपल्याकडे इलेक्ट्रोनिगेटिव्ह घटक असतात. शिवाय इलेक्ट्रोपॉझिटिव्ह घटकांबद्दल ही विशिष्ट गोष्ट काय आहे? इलेक्ट्रो पॉझिटिव्ह घटक त्यांचे अतिरिक्त इलेक्ट्रॉन दान करतात किंवा देतात, जे अतिरिक्त इलेक्ट्रॉनची अपूर्ण कवच अपूर्ण संख्या आहेत, जे त्या कवचात खोटे आहेत आणि हे इलेक्ट्रोनिगेटिव्ह घटक स्वीकारतात.

सोडियम, पोटॅशियम, मॅग्नेशियम, कॅल्शियम यांसारखे घटक या बाजूचे सर्व घटक इलेक्ट्रोपॉझिटिव्ह आहेत, ते इलेक्ट्रॉन देण्याकडे कल करतात. दुसरीकडे क्लोरीन, फ्लोरिन, ब्रोमिन, आयोडीन यांसारख्या गोष्टी इलेक्ट्रॉन स्वीकारण्याकडे कल असतो. त्याचप्रमाणे ऑक्सिजन, सल्फर इत्यादी इलेक्ट्रॉन स्वीकारण्याकडे कल असतो. तर, एका बाजूला, आपल्याकडे इलेक्ट्रॉन दान करण्याकडे कल असलेले अणू आहेत आणि दुसर् या बाजूला, आपल्याकडे इलेक्ट्रॉन स्वीकारण्याची प्रवृत्ती असलेले अणू आहेत. मध्यभागी, आपल्याकडे स्तंभ ३ पर्यंत अणू असतात, बोरॉन अॅल्युमिनियममध्ये बहुतेक घटक असतात, जे इलेक्ट्रॉन ला देण्याकडे कल ठेवतील.

तर, एका बाजूला, आपल्याकडे इलेक्ट्रोपॉझिटिव्ह घटक आहेत आणि दुसरी बाजू, आपल्याकडे इलेक्ट्रोनिगेटिव्ह घटक आहेत. आणि जेव्हा तुम्ही हे घटक मिसळता तेव्हा तुम्ही बंध तयार करता. कारण दुसऱ्याला देण्याकडे कल असतो, त्यामुळे इलेक्ट्रॉन घेण्याची प्रवृत्ती असते आणि तिथेच बंध तयार होतात. तर, सामान्यत: इलेक्ट्रोनिगेन्सी श्रेणी. (स्लाइड वेळ संदर्भित करा: १६:१२)

तर, हे इलेक्ट्रो पॉझिटिव्हिटी किंवा इलेक्ट्रोनिगेन्सीचे स्वरूप यावरून निश्चित केले जाते. इलेक्ट्रोनिगेन्सी इलेक्ट्रोनिगेन्सी नावाच्या मूल्यानुसार निश्चित केली जाते आणि जी 0.7 ते 4 पर्यंत असते. तर, 0.7 इलेक्ट्रोपॉझिटिव्ह किंवा कमी इलेक्ट्रोनिगेटिव्ह असेल आणि चार अत्यंत इलेक्ट्रोनिगेटिव्ह असतील. उदाहरणार्थ, लिथियम, हे नावाच्या पॅरामीटरद्वारे ओळखले जाते χ. तर, लिथियमसाठी हे मूल्य सामान्यत: 1 आहे, सोडियमसाठी, ते सुमारे 0.9 आहे, पोटॅशियमसाठी ते सुमारे 0.8 आहे. जर तुम्ही कॉलम २ पाहिला तर मॅग्नेशियम सुमारे १.३ आहे आणि कॅल्शियम सुमारे ०.१३ आहे, जर तुम्ही थोडे पुढे गेलात तर टिटॅनियमचे मूल्य सुमारे १.५ आहे, झिर्कोनियमचे मूल्य सुमारे १.३ आहे. जर तुम्ही आणखी उजवीकडे गेलात, तर क्रोमियमचे मूल्य १.७ आहे, मॅंगनीजचे मूल्य १.६ आहे, लोहाचे मूल्य १.८ आहे आणि कोबाल्टचे मूल्य १.९ आहे, कॉपरचे मूल्य १.९ आहे.

आपण पाहू शकता की यापैकी बहुतेक घटकांमध्ये इलेक्ट्रोनिगेन्सी असते, जी खालच्या बाजूला थोडी शी ण आहे, लिथियमपासून सुरू होत आहे, जी 1 पासून सुरू होते, बहुतेक धातूंसाठी ते जवळजवळ दोनपर्यंत जाते. तर, ते काही अर्थाने तीव्र इलेक्ट्रोपॉझिटिव्ह किंवा मध्यम विद्युतसकारात्मक सारखे आहेत. तर, मी येथे परिभाषित करू इच्छितो, हे तीव्र विद्युतसकारात्मक आहे. हे तीव्रपणे इलेक्ट्रोनिगेटिव्ह असेल.

तर, हे विशिष्ट धातू आहेत. आता जर मी इतर वर्गात गेलो तर तुम्ही फ्लोरिनपासून सुरुवात करता, फ्लोरिनचे मूल्य ४ आहे.

(स्लाइड वेळ संदर्भित करा: १८:३०)

क्लोरीनचे मूल्य ३ आहे; आयोडीनचे मूल्य २.७ आहे, ऑक्सिजनचे मूल्य ३.५ आहे, सल्फरचे मूल्य २.५ आहे, नायट्रोजनचे मूल्य ३ आहे, फॉस्फरसचे मूल्य २.२ आहे, कार्बनचे मूल्य २.५ आहे. हे तीव्र विद्युतनकारात्मक आहेत आणि हे घटक संयुगे बनवतात म्हणूनच आपण निसर्गात अनेक गोष्टी कार्बिड्स, निटराइड्स, ऑक्साइड्स, सल्फाइड्स, आयोडिड्स, क्लोराइड्स म्हणून दिसतात, कारण हे घटक त्यांचे इलेक्ट्रॉन घेण्यासाठी इतर घटकांशी प्रतिक्रिया देण्यास तयार आहेत. तर, वस्तूंमध्ये फरक करण्याचा हा आधार आहे.

या मापदंडांच्या आधारे, आपल्याकडे इलेक्ट्रॉन आणि बाह्य कवचांची संख्या जास्त असते किंवा अस्थिर संरचना असते, ज्यामुळे धातू या अतिरिक्त इलेक्ट्रॉनसह काहीतरी करू शकतात जेणेकरून ते स्थिर संरचना बनते, ते रोखे ठीक तयार करतात. शिवाय, पुरेसे प्रमाण नसलेले हे बाह्य कवच इलेक्ट्रॉन त्यांना व्हॅलेन्स इलेक्ट्रॉन म्हणतात आणि हे वेगवेगळे घटक कसे एकत्र करतात याची प्रतिक्रिया ते इलेक्ट्रोनिगेटिव्हमधील फरकांवर अवलंबून असतात.

म्हणून, जर तुमच्याकडे विषम सामग्री असेल, तर त्यांना बंध तयार करावे लागतील कारण ते स्वीकारण्याची आणि घेण्याची प्रवृत्ती आहे ते इलेक्ट्रॉन देतील, परंतु उदाहरणार्थ जर आपल्याकडे विषम संयुग नसेल, तर लोह म्हणा किंवा फक्त तांबे म्हणा किंवा फक्त अॅल्युमिनियम म्हणा, अशा परिस्थितीत त्या इलेक्ट्रॉन्सबरोबर काहीतरी करण्याची आणखी काही यंत्रणा आहे. तर, येथेच आपण बंधनात येतो.

(स्लाइड वेळ संदर्भित करा: २०:२७)

इलेक्ट्रॉन हे व्हॅलेन्स इलेक्ट्रॉन कसे असतात यावरून बंध निश्चित केले जातात. जेव्हा अणू एकत्र जोडले जातात तेव्हा ते अणूंनी कसे हाताळले जातात. तर, आपल्याकडे दोन प्रकरणे आहेत ज्यात आपण एकापेक्षा जास्त घटकांपेक्षा विषम मिश्रणे असू शकता आणि आपल्याकडे एकच घटक असू शकतो. तर, उदाहरणार्थ, याचा अर्थ असा होईल की आपण संयुगे विषम नाही असे म्हणू शकता, परंतु मी कंपाऊंड म्हणेन.

उदाहरणार्थ, सोडियम क्लोराइडसारख्या गोष्टी, तुम्हाला ऑक्साइड वगैरे वगैरे वाटतात आणि इथे आयर्न, कोबाल्ट, निकेल, अॅल्युमिनियम सारख्या कोणत्याही गोष्टी असतील. तर, विविध प्रकारचे बंध काय आहेत ते पाहूया. आता आपण बंधनात जाण्यापूर्वी, आपण अणूंना एकत्र ठेवता तेव्हा काय होते याची मूलभूत तत्त्वे समजून घेणे आवश्यक आहे आणि ते म्हणजे आंतरअणुसमजून आपण समजू शकता.

(स्लाइड वेळ संदर्भित करा: २२:१४)

तर, हे मी खूप वेगाने कव्हर करत आहे कारण हा मुळात या कोर्सचा आधार नाही. पण तुम्हाला हे माहीत असले पाहिजे, म्हणूनच या विशिष्ट आंतरअणुशक्तींची पुनरावृत्ती होते. म्हणून, जेव्हा तुम्ही अणूंना एकत्र आणता, तेव्हा हे अणू दूरवर असतात आरजे समतोल अंतर आहे. आणि हे समतोल अंतर का आहे, या समतोल अंतराचे महत्त्व काय आहे? कारण जेव्हा तुम्ही हे अणू एकत्र आणता तेव्हा अणूंमधील शक्ती, एफआणि प्रथम दोन प्रकारच्या शक्ती आहेत, ती घृणास्पद शक्ती आहे आणि दुसरी आकर्षक शक्ती आहे.

तर, हे आपण म्हणू या एफ_आर हे आहे एफ_अआणि हे अंतर आहे आर. स्थिर संरचना म्हणजे कॉन्फिगरेशन जिथे निव्वळ शक्ती ० च्या बरोबरीने आहे. तर, हे दूरवर स्थिर संरचना आहे आर₀ ज्यावर बल ० च्या बरोबरीने आहे. त्याअनुषंगाने आपण ज्याला संभाव्य ऊर्जा म्हणून म्हणतो ते आपण कथानक करू शकता; आपण ई संभाव्य ऊर्जा म्हणू या. या विशिष्ट बिंदूवर ही संभाव्य ऊर्जा कमीत कमी योग्य असली पाहिजे. म्हणून, जर आपण संभाव्य ऊर्जा, अंतर प्लॉट केले तर आर₀ ज्यावर आपल्याकडे संभाव्य ऊर्जा आहे जी द्वारे परिभाषित केली जाते किंवा ई₀ किंवा डब्ल्यू₀ या बाबतीत, आपण कसे म्हणू शकता यावर अवलंबून आपण फक्त नॉट म्हणू शकतो आणि या ई नॉटला बाँड एनर्जी म्हणून संबोधले जाते.

अणूंमधील समतोल अंतराशी संबंधित अंतर आणि ऊर्जेला बंध ऊर्जा म्हणतात. तर, ही संभाव्य ऊर्जा निंदनीय संज्ञेची बेरीज आणि आकर्षक शब्दाची बेरीज म्हणून दिली जाऊ शकते. काही आर व्हॅल्यूवर, ई मूल्य कमी केले जाते, जे आपल्याला रोखे ऊर्जा देते. तर, पुढच्या व्याख्यानात आपण काय करू, आपण वेगवेगळ्या प्रकारचे बंध आणि आपले साहित्य पाहतो आणि मग आपण साहित्याच्या रचनेकडे जाऊ.

धन्यवाद।